天才物理学家张首晟去世:他的贡献不止“天使粒子”

subtitle 了不起的中国制造12-07 07:20 跟贴 8245 条
国内的公众了解张首晟,是从“天使粒子”开始,实际上,他对物理学的更重要贡献其一是发现量子自旋霍尔效应,其二是找到拓扑绝缘体。国际上的物理学重要奖项他几乎拿了个遍,在杨振宁眼中,他是接下来最有可能拿诺贝尔物理学奖的华人。

出品 | 网易新闻

作者 | 史文慧

美国当地时间12月1日,著名华裔物理学家、斯坦福大学终身教授张首晟去世,享年55岁。

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根据家人发布的讣告,张首晟此前一直在与抑郁症作斗争。消息传来时,没有人愿意相信,许多他的同行甚至觉得这一定是个恶作剧,是最不可能的消息。

(张首晟家人发布的讣告截图)

张首晟究竟是谁?他做出过哪些贡献?接下来,我们通过简单梳理,带大家了解这位杰出的华人物理学家。

“天使粒子”的发现让他进入公众视线

在小说《天使与魔鬼》中,美国作家丹·布朗创造了一种对称字体,这种字正着看、倒着看都能成字,并且是同一个单词。

(小说《天使与魔鬼》中出现的对称字)

自然界中也存在着类似对称字这样属性的基本粒子,科学家们把这样的粒子称作马约拉那费米子,它还有一个更为公众所熟知的名字——“天使粒子”,张首晟正是这一名字的提出者。

马约拉那费米子是基本粒子之一,所谓基本粒子就是构成物质的最小、最基本单位。物理学家们认为,基本粒子可以分为费米子和玻色子两大类,其中费米子构成物质并且通过交换玻色子发生相互作用。另外,物理学家们还认为,费米子和玻色子存在着对称性,所有的费米子都存在着反粒子。

举个例子,我们在中学时学到过,电子都带有负电,而后来物理学家们发现,自然界中同时还存在着一种粒子,其质量跟电子相等,但身上带的却是正电,物理学家把这种带正电的电子叫做正电子,而电子和正电子就互为反粒子。

那么,有没有一种粒子,它的反粒子就是它本身呢?1937年,意大利物理学家马约拉那首先提出了这样的猜想,于是这种粒子就被命名为马约拉那费米子了。然而,80多年过去,科学家一直没有找到这种传说中的粒子。

直到2017年7月,何庆林、张首晟等多位华人科学家合作的论文发表,论文介绍了他们共同“发现”马约拉那费米子的研究成果,这里的“发现”之所以要加引号,是因为本次的发现并不是直接观察到,而是他们实验中观测到的现象似乎只能用这种准粒子才解释得通。作为论文通讯作者之一的张首晟率先向国内媒体介绍了这一成果,于是,伴随着新闻的刷屏式传播,张首晟本人也进入了公众的视野。

张首晟给他们“发现”的这种粒子起名为“天使粒子”,灵感正是来源于我们刚才提到的小说《天使与魔鬼》,因为小说中描述了一种蕴含巨大能量的物质——反物质,当正反物质相遇时会瞬间湮灭,释放出的能量极具毁灭性。科学家们研究反物质原本是为了揭开宇宙起源的秘密(天使的一面),却不曾想到它会被用来毁灭地球(魔鬼的一面)。而张首晟认为,在他们“发现”的马约拉那费米子的“量子世界”中,只有天使,没有魔鬼,所以是“天使粒子”。

抛开粒子名字的分歧不说,发现马约拉那费米子究竟有什么意义呢?

在前面我们对周其林院士的采访中(文章链接:周其林院士:中国原创性成果少,最根本原因是科学素养缺失)提到过,自然界存在着类似我们左右手的一种现象,组成、结构相同却表现出完全不同,甚至截然相反的特性和功能,这种现象叫做手性。张首晟等人发现的马约拉那费米子正是这样一种手性粒子。

这种手性可以简单理解为这种粒子只沿一个方向运动,可以用来实现低能耗的信息传输和处理。目前制造量子计算机面临的最大障碍就是量子比特信息容易被环境噪音干扰,而如果每个量子比特信息用两个相距很远的“天使粒子”存储,那么背景噪音就不可能对它们造成破坏,它们携带的信息也不会丢失,所以,马约拉那费米子是制造量子计算机的完美选择。

他对凝聚态物理学的两大重要贡献

发现“天使粒子”只是张首晟学术成就的冰山一角,他在凝聚态物理方面真正的贡献,最主要的有两点,其一是发现量子自旋霍尔效应,其二是找到拓扑绝缘体。

在之前对薛其坤院士的采访中(文章链接:薛其坤院士:中国科研正从整体追赶向部分引领过渡),薛院士介绍了量子的反常霍尔效应,那么什么是量子自旋霍尔效应呢?它和量子反常霍尔效应又有何区别?

张首晟在接受媒体采访时曾这样描述自己的这项发现:“总的来讲,我们发现了一个新的电子运动规律。电子运动本来是杂乱无章的,但现在我们能让电子的运动就像高速路上的汽车一样,分成不同的车道,各行其道,互不干扰。简单的说,就是使得电子的运动更有效率,而且不会消耗很多的能量”。

2007年,张首晟团队提出的“量子自旋霍尔效应”被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。张首晟发现的量子自旋霍尔效应,跟薛院士介绍的量子霍尔效应有共通之处,但又不完全相同,二者最大的区别在于,量子自旋霍尔效应不需要外加磁场。

说完了量子自旋霍尔效应,那么什么又是拓扑绝缘体呢?

绝缘体我们应该都比较熟悉,它们是一类不容易导电的物质。而拓扑,则是一种非常抽象的数学原理。这二者合成的一个词,究竟是什么意思呢?这其实是一种非常特别的量子特征的新物质状态,和传统意义上的“金属”与“绝缘体”不同,它是一种内部绝缘、界面导电的材料。

这是近年来在凝聚态物理领域的一个热门研究方向,有物理学家在接受媒体采访时表示,拓扑绝缘体领域的一个特点是理论引导实验,之前也有一些物理学家在做,但真正意义上的理论引导实验,是张首晟和他的团队最先开始做的。

2014年,由于在拓扑绝缘体领域的开创性贡献,张首晟与两位科学家一起分享了2014年度的“富兰克林物理奖”,富兰克林物理奖每年颁发一次,授予物理学及技术领域中作出卓越贡献的人士。此前,张首晟在美国纽约州立大学石溪分校的研究生导师、著名物理学家杨振宁曾获得过这一奖章。

人生中唯一的不完美大概是还没拿到诺贝尔奖

张首晟二十岁便师从杨振宁,并听从杨的建议开始从事凝聚态物理方面的研究,欧洲物理奖、美国物理学会巴克莱奖、国际理论物理学中心狄拉克奖、尤里基础物理学奖、富兰克林奖章……除了诺贝尔物理学奖,物理学界所有重量级奖项他基本上都拿过了。在杨振宁眼里,张首晟是接下来最有可能得诺贝尔奖的华人。

除了事业上如日中天,张首晟的家庭生活同样十分美满。他的妻子与他是青梅竹马,他的子女也都十分优秀,儿子在哈佛学物理,女儿刚刚进入斯坦福就读。

回顾其一生,张首晟堪称是现实里人生赢家中的人生赢家。然而,正是这样一位人人钦羡的科学家,却这样离开了,也许正如一位科研圈里的朋友所说,“上帝不愿意被人发现太多秘密,于是把最有可能破解某些秘密的人收走了”。

R.I.P.

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